2.6相图和相图化学.ppt

MC2007 2 6相图和相图化学重点内容 相与相平衡的基本概念 相律 固溶体和中间相相图分析 二元相图的阅读分析 三元相图的阅读分析 1 基本概念 1 相 Phase 在一个系统中 成分 结构相同 性能一致的均匀的组成部分叫做相 不同相之间有明显的界面分开 该界面称为相界面 在一定的外界条件下 如温度 压力等 物质的某种状态能量最低则为热力学平衡相 类型 气相 液相 固相 等离子相 液晶相注意 相在物理性能和化学性能上是均匀的 相界面和晶界的区别 MC2007 2 相图表示物质的状态与温度 压力 组成之间的关系的简明图解 表示物质在热力学平衡条件下的情况 又称为平衡相图 3 组元 Component 通常是指系统中每一个可以单独分离出来 并能独立存在的化学纯物质 在一个给定的系统中 组元就是构成系统的各种化学元素或化合物 MC2007 4 相平衡在某一温度下 系统中各个相经过很长时间也不互相转变 处于平衡状态 这种平衡称为相平衡 各组元在各相中的化学势相同 A B 热力学动态平衡 MC2007 MC2007 处于热力学平衡状态的系统中自由度与组元数和相数之间的关系定律 通常简称为相律 只考虑温度和压力对系统平衡状态影响的相律方程式 F C P 2凝聚系统 F C P 1式中 F是自由度数 P是平衡相的数目 C是组成材料系统的独立组元数 使用范围 平衡状态 2 相律 GibbsPhaseRule MC2007 3 固溶体合金 金属 金属 金属 非金属之间通过熔炼或其他手段使其化合的一类固体材料 合金元素 组元 合金中人为掺入的有益元素 合金相 合金中化学成分和晶体结构完全相同 且其界面相互分开又彼此独立存在的均匀组成的部分 包括固溶相和中间相两种类型 1 固溶体 混晶特点 存在广泛的固溶区范围 不符合化合物的定组分定律类型 置换式 固溶体中溶质原子在晶体点阵中统计地替换其溶剂原子 凡与溶剂具有相同的结构 相近原子半径和化学性质的溶质 都容易形成置换式固溶体 MC2007 间隙式 固溶体中溶质原子不置换溶剂原子 而是分布在溶剂原子所形成的晶体点阵的空隙中 原子半径较小的元素容易成为间隙原子 如H N C B 缺位式 固溶体在化合物的基础上形成的 在晶格中 第一个组元的原子仍占据着正常位置 而第二个组元的原子有某些位置空着 在合金和氧化物 尤其是d区元素形成的氧化物 的体系中常见 固溶体共性 固溶体中的第二组分 溶质 的原子在第一组分的晶体中的分布是完全无秩序的 MC2007 考虑两种组分互溶的程度 有两种情况 a 连续固溶体 两种组分可以以任意比例互溶状态图有3种 没有极点的连续固溶体型状态图 MC2007 具有最高点的连续固溶体型状态图 a图 MC2007 具有最低点的连续固溶体型状态图 b图 b 有限固溶体 两种组分的互溶是有限度的 在A的晶格中只能容纳有限数目的B原子 在B的晶格中亦只能容纳有限数目的A原子 有限固溶体在结构上 和相应的纯组分的晶格相同 只是晶格参数略有不同 在组成上 直接和纯组分毗邻 状态图有2种 MC2007 生成低共熔型有限固溶体状态图 a图 l 固溶体a 固溶体b a l a b l 三相线 l f 0 生成转熔型有限固溶体状态图 b图 MC2007 MC2007 连续固溶体和有限固溶体均出现的情况 2 中间相 金属互化物特点 一般在平衡相图的中间成分区域内形成 晶体结构和任何组元或终端固溶体都不相同讨论 液相直接转变为固相 液相线的形状有一个最高点相变 同成分相变 从一种相直接变化到另一种相 而在其相变过程中没有发生成分的变迁 不同成分的变迁 MC2007 MC2007 MC2007 中间相类型 电化学化合物 由有强烈的正电性的元素和有强烈的负电性的元素所组成的化合物 特点 a 成分服从于原子价定律b 固溶度范围小c 从离子键化合物过渡到金属键化合物d 电化学性质呈现出从离子导体 半导体直至金属导体的一系列变化规律 MC2007 尺寸因素化合物 其组成的主要指导原则是两种原子的尺寸大小的比例的化合物 特点 由金属键构成类型 a 间隙型b 置换型 电子化合物 合金组元价电子数之和与组元总的原子个数的比值相等的化合物 MC2007 4 二元系相图总论 1 二元系二元系统有两个组元 C 2根据相律 F C P 1 二元系统最大的自由度数目F 2 这两个自由度就是温度和成分 故二元凝聚系统的相图 仍然可以采用二维的平面图形来描述 即以温度和任一组元浓度为坐标轴的温度 成分图表示 MC2007 2 二元相图中的几何规律 相邻相区的相数差1 点接触除外 三相区的形状是一条水平线 其上三点是平衡相的成分点 若两个三相区中有2个相同的相 则两水平线之间必是由这两相组成的两相区 单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区 MC2007 3 二元相图的基本类型 匀晶相图 Isomorphoussystem 当两个组元化学性质相近 晶体结构相同 晶格常数相差不大时 它们不仅可以在液态或熔融态完全互溶 而且在固态也完全互溶 形成成分连续可变的固溶体 称为无限固溶体或连续固溶体 它们形成的相图即为匀晶相图 MC2007 MC2007 共晶型 MC2007 包晶型 MC2007 5 三元系相图总论 1 三元系三元系统有三个组元 C 3根据相律 F C P 1 4 P三元系统最大的自由度数目F 3 这三个自由度就是温度和两个成分 通常用平面三角形表示三组分的浓度 用垂直于正三角形的轴长表示温度 因此三元相图是一种立体图形 比二元相图要复杂得多 MC2007 2 三元相图的基本类型 三元匀晶相图三个组元中 每两个组元都可以形成一个二元匀晶相图 这类三元系的液相面由各二元系的液相线在空间伸展组成 固相面由各二元系的固相线伸展至空间组成 MC2007 三元共晶相图当三元系的三组两两之间均为二元共晶类相图 那么三元相图依然是共晶相图 共晶三元系有两种情况 a 简单的共晶三元系 组元在固态下完全不